沼气发电技术工艺及余热利用技术

第31卷第2期华电技术V o.l 31 No .2 2009年2月

H uad ian Techno l o gy

Feb.2009

沼气发电技术工艺及余热利用技术

B iogas pow er generation techno logy and w aste heat utilization technology 刘显明,李和平,贠小银,张宇,邱河梅

L IU X ian -m ing ,L IH e -ping ,YUN X iao -y in ,Z HANG Y u ,Q IU H e -me i

(中国华电工程(集团)有限公司,北京 100048)

(China Huadian Eng i nee ri ng Co rpo ra ti on L i m ited ,Be iji ng 100048,Chi na)

摘 要:介绍了沼气发电技术的发展状况。根据制沼原料中总固体、生化需氧量、化学需氧量和挥发性性固体的4项判别指标,结合实际的发酵工艺原理,得出不同制沼原料的产气量。针对沼气发电工程的实际情况,探讨了沼气发电余热利用的几种方案的可行性。

关键词:沼气发电技术;制沼原料;产气量;制沼工艺;余热利用

中图分类号:TK 6 文献标志码:A 文章编号:1674-1951(2009)02-0074-05

Ab stract :T he develop m ent o f b i ogas pow er genera ti on techno l ogy was introduced .Based on the four dete r m inant i n -dexes wh ich i nc l utes the tota l so li d ,the b i ochem ica l oxygen de m and ,the che m ica l oxygen de m and and vo latile so-l i d ,comb i ning w it h t he pri nc i p l e o f prac ti ca l fer m entati on pro cess ,the biogas producti ons o f d iffirent ra w m ater i a ls we re obta i ned .A i m m i ng at t he practical situati on o f biogas powe r generation pro ject ,t he fas i bilities of seve ra l p l ans fo r w aste heat utilizati on of b i ogas po w er generation w ere d i scussed .

K ey w ords :b i ogas generati on techno l ogy ;ra w m ater i a l fo r produci ng b i ogas ;b i ogas producti on ;b i ogas producti on techno l ogy ;w aste heat utilizati on

收稿日期:2008-11-21

0 引言

人类对沼气的研究起源于18世纪,1776年,意大利科学家沃尔塔通过分析,测定沼气的主要成分

为甲烷和二氧化碳;1781年,法国科学家穆拉发明了人工沼气发生器,之后,沼气逐渐被人们利用

[1]

。

我国于20世纪二三十年代出现了沼气生产装置,几十年来,沼气发酵技术已广泛用于处理农业、工业以及人类生活中的各种有机废弃物并制取沼气,为人类生产和生活提供了丰富的可再生能源。到2005年底,我国已建成各类大中型沼气工程3764处,总

池容172万m 3

,年处理1.2亿t 废弃物,年产沼气3.4亿m 3

,利用沼气发电4000万k W #h ,供气138万户。其中处理农业废弃物的沼气工程运行数量为3556处,总池容100万m 3

,废弃物处理量8710,t 年

产沼气2.3亿m 3,供气用户数近132万户[2]

。

我国的大中型沼气工程的技术工艺日趋成熟,配套设备已达到或接近国际水平。在沼气工程的成套技术方面,可根据猪粪、鸡粪、牛粪等原料特殊性的差异,进行包括预处理、厌氧、沼气输配、制肥、消化液后处理的全部设计;在配套设备方面,我国已成功研制了纯燃沼气发电机组,制罐、自动控制、脱硫脱水、固-液分离等装置已形成系列化成熟产品。

目前,我国大中型沼气发电工程普遍存在的问题是沼气发酵原料转化率低、产气率低,运行稳定性差、经济效益低、进料浓度低且量大、厌氧发酵后的深度处理、沼气内燃机发电效率低和余热利用率低等问题,这些问题都会导致热电联产机组的总热效率低的结果。

1 沼气发电技术

1.1 制沼原料及产气量

沼气是有机物在厌氧条件下经微生物分解发酵而生成的一种可燃性气体,主要原料包括人畜禽粪

第2期刘显明,等:沼气发电技术工艺及余热利用技术#75#

图2 德国沼气热电联产的发展

便、秸秆、农业有机废弃物、农副产品加工的有机肥水、工业废水、城市污水和垃圾、水生植物和藻类等有机物质。可燃气体的主要成分是甲烷和二氧化碳。

制沼原料的产气量通常根据原料中的总固体(TS)、挥发性固体(VS)、生化需氧量(BOD 是指微生物将溶液中的有机质分解所消耗氧的量)、化学需氧量(C OD 是指在一定条件下,溶液中有机质与强氧化剂重铬酸钾作用所消耗氧的量)4项主要指标来判别

[3]

,结合实际的发酵工艺及原理,可以近

似得出不同制沼原料的产气量,如图1所示[4]

(资

料来自德国可再生能源协会)。从图1中可以看

出,动物粪便的产气率在45~80m 3

/t 。1.2 制沼技术工艺发展

随着发酵技术工艺的发展,厌氧干式发酵技术是当前国际前沿的有机废弃物处理技术。厌氧发酵和传统的湿发酵工艺最大的区别是在采用干发酵工艺时,发酵原料干物质的质量分数为20%~50%。而湿发酵原料干物质的质量分数一般在5%左右。厌氧干发酵技术的特点是在固体有机废物厌氧发酵生产沼气后,发酵剩余物为固体有机肥料,处理过程中没有污水产生;厌氧干发酵系统运行时自身能耗低,冬季仅耗用滋生生产能量的10%~15%。这种技术特别适合于固体废物量大、污水少的情况下废弃物资源化利用。

德国的制沼工艺技术走在了世界的前列。制沼原料主要是动物粪便、能源作物、生物垃圾以及工业和农业残渣等,针对不同的制沼原料,

采取不同的制

图1 原料的平均产气量(m 3/t 鲜料)

沼工艺,保证合理的沼气产量及稳定。德国传统的畜禽粪便沼气制备工艺为畜禽的粪便以及冲洗水和尿全部进一套厌氧反应罐,厌氧反应罐的温度可以调节,既可以采取中温发酵,也可以采取高温发酵,德国制沼工艺的先进性保证了沼气的高产量以及沼气产量的高稳定性。图2为德国沼气热电联产发展

状况[4]

。

我国有关沼气工程发酵工艺的原创性研究结果较少,由此导致我国沼气工程的发酵率低。欧洲尤其是德国在沼气行业发展速度较快,制沼工艺较为